Die Grundwasser
mit besonderer Berücksichtigung der Grundwasser Schwedens
Von
J. Gust. Richert
Dr. Phil. h. c.
vorm. Professor an der Kgl. Technischen Hochschule zu Stockholm Konsultierender Ingenieur
Mit 69 Figuren und 11 Tafeln
München und Berlin
Druck und Verlag von R.Oldenbourg 1911
Vorwort.
In diesem Aufsatz habe ich versucht, das Ergebnis mehrjähriger Arbeiten auf dem hydrologischen Gebiete zusammenzufassen. Der
Inhalt ist zum Teil in verschiedenen Aufsätzen, wie z. B. »Om grund- vattnets förekomst och användning« (Über Vorkommen und Verwen- dung des Grundwassers), »Über künstliche Grundwassergewinnung«,
»Künstliche Infiltrationsbassins«, »Die fortschreitende Senkung des Grundwasserspiegels« u. a. m., bereits veröffentlicht worden. Geo- logische Daten habe ich aus De Geers »Skandinaviens geografiska ut- veckling« (Die geographische Entwicklung Skandinaviens), Nathorsts
»Jordens historia« (Geschichte der Erde), den Akten des Geologischen Vereins und aus verschiedenen kleineren Aufsätzen entnommen. Als Laie auf dem geologischen Gebiete erbitte ich gefällige Nachsicht der Fach- gelehrten, falls sich Irrtümer in meinen Ausführungen finden. Dieser Aufsatz ist eigentlich für meine Kollegen, d. h. die Ingenieure, bestimmt, aber ich hoffe, daß das hydrologische Untersuchungsmaterial auch das geologische Studium der quartären Bildungen Schwedens in etwas fördern wird.
Inhaltsverzeichnis.
Seite
E i n l e i t u n g 1 Kapitel I. H y d r o l o g i e 3
Geschichtliches 3 Die Entstehung des Grundwassers 6
Verschiedene Arten von Grundwasserströmen 7
Beschaffenheit des Grundwassers 10 Hydrologische Untersuchungen 13
Vorläufige Untersuchungen 13 Definitive Untersuchungen 16 Messung der Geschwindigkeit 19 Berechnung der Geschwindigkeit 21 Berechnung der Wassermenge durch Beobachtung der Senkung des
Wasserstandes beim Pumpversuch 35 Freier Strom mit freiem Wasserspiegel 38 Freier Strom mit aufgestautem Wasserspiegel 40
Artesischer Strom 41 Berechnung der Wassermenge durch Beobachtung der Höhe des
Wasserstandes bei künstlicher Infiltration 47 Freier Strom mit freiem Wasserspiegel 51 Freier Strom mit aufgestautem Wasserspiegel 51
Artesischer Strom 52 Künstliche Grundwasserherstellung 53
Kapitel II. D i e g e o l o g i s c h e B i l d u n g S c h w e d e n s 63 Kapitel I I I . E i n i g e i n S c h w e d e n a u s g e f ü h r t e h y d r o l o g i s c h e
U n t e r s u c h u n g e n . 80 Gotenburg 80
Geologische Verhältnisse 82 Hydrologische Verhältnisse 84 Das natürliche Grundwasser 84 Die »Grundwasserfabrik« 87
Malmö 89 Geologische Verhältnisse 89
Hydrologische Verhältnisse 92
Upsala 98 Gäfle 101
Einleitung.
Mit G r u n d w a s s e r bezeichnen wir solches Wasser, welches unter der Erdoberfläche vorkommt.
Das alte schwedische Sprichwort »Das Wasser ist ein guter Knecht, Nützliche und sctiädlichc aber ein schlechter Herr«, bezog sich wohl ursprünglich auf die offenen E i ge n -
Wasserläufe, die dem Menschen sowohl nützen als schaden können, schatten des Doch läßt es sich auch auf das Grundwasser anwenden. Aus den Tiefen wassers.
der »Osen« gewinnen wir das herrlichste Trinkwasser, aber ein wassergefüllter Baugrund verbreitet Krankheiten, und ein sumpfiger Boden läßt Wald und Getreide nicht aufkommen. Die Aufgabe des Ingenieurs ist es, einerseits die nutzbringenden Eigenschaften des Grundwassers zu verwerten, anderseits die schädlichen zu bekämpfen.
Beide Aufgaben können ebenso interessant wie schwierig sein. Die Gesetze für die Entstehung des Wassers in der Natur sind noch nicht vollständig erforscht, und unsere Kenntnis von den unterirdischen Wasserläufen stammt erst aus den Jetzten Jahrzehnten.
Unter H y d r o g r a p h i e versteht man im allgemeinen die- jenige Wissenschaft, welche sich mit dem Vorkommen des Wassers in der Natur beschäftigt; aber wo es sich vorwiegend um Grundwasser handelt, hat man die Bezeichnung H y d r o l o g i e eingeführt.
Das Grundwasser wird durch Versickerung der Meteorwässer und Entstehung
teilweise auch durch Kondensation feuchter Luft im Erdboden ge- tretend bildet. Ebenso wie beim Oberflächenwasser kommen auch bei ihm Grund-
ausgeprägte Flüsse oder verhältnismäßig stillstehende Becken vor.
Die Strömungsgeschwindigkeit wird natürlich ganz erheblich geringer, wenn das Wasser in den feinen und unregelmäßigen Poren des Bodens mühsam hervordringen muß, als wenn es nur den Reibungswiderstand in einem offenen Flußbett zu überwinden braucht. Einen vollkommenen Stillstand gibt es jedoch ebenso wenig unter als über der Erdoberfläche.
Die Bewegung mag für das Auge nicht zu erkennen sein; doch läßt dieselbe sich durch direkte Messungen feststellen.
wassers.
2 Einleitung.
Die aiige- Die erste Bedingung für die Entstehung des Grundwassers ist ein aussetzungen durchlässiger Boden, so daß die Meteorwässer versickern können. Soll
für die Ent- aber ein Strom von irgendwelcher Bedeutung entstehen können, so o r u n T w a s s e " . d e r durchlässige Boden hinreichende Tiefe und Ausdehnung besitzen
und mit einem offenen Wasserlauf oder See, nach welchem das Grund- wasser abfließen kann, in Verbindung stehen.
Beschaffen- Die Beschaffenheit des Grundwassers wird in hohem Grade von heit des
orund- der Beschaffenheit des Bodens beeinflußt. In eisenhaltigem Sand
wassers. wird das Wasser eisenhaltig, im Kalkboden wird es hart, im Granit und Sandstein gewöhnlich weich, usw.
Bedeutung Um die Menge und die Beschaffenheit eines Grundwasserstromes
deifüiediegie richtig beurteilen zu können, ist es also notwendig, die Ausdehnung Hydrologie, und Beschaffenheit der wasserführenden Schichten zu untersuchen.
Man wird kein Hydrologe, ohne wenigstens die Anfangsgründe der Geologie zu verstehen-.
Allgemeine Die Grundwasserverhältnisse in Schweden sind bisweilen sehr Verhältnisse v e rwickelt, und daß dem so sein muß, ist einem jeden klar, der die
in Schweden. eigenartige Bildung dieses Landes studiert hat. Die hydrologischen Erscheinungen erklären sich gewöhnlich aus den Veränderungen, welche während der jüngsten geologischen Periode in dem Klima und der Höhenlage der skandinavischen Halbinsel vorgekommen sind. Es wird also unsere erste Aufgabe sein, zu erörtern, wie der geologische Aufbau Schwedens unter dem Einfluß dieser Kräfte entstanden ist, besonders in bezug auf diejenigen Gestein- und Bodenschichten, in welchen das Grundwasser vorkommt.
Das erste Kapitel dieses Aufsatzes soll die Grundbegriffe und Untersuchungsmethoden der Hydrologie behandeln. Das folgende ist der geologischen Bildung Schwedens gewidmet. Als Abschluß folgt die Beschreibung einiger unter der Leitung des Verfassers ausgeführter hydrologischer Untersuchungen; in jedem einzelnen Fall wird versucht, die geologische Beschaffenheit des Bodens zu erklären.
Kapitel I.
Hydrologie.
In dem folgenden Kapitel werden wir die historische Entwicklung der Hydrologie, die hydrologischen Untersuchungsmethoden, die all- gemeine Anordnung von Brunnen und Sammelleitungen sowie die künstliche Grundwasserbildung besprechen. Rein konstruktive Anord- nungen dürften nicht in den Rahmen dieser Abhandlung fallen.
Geschichtliches.
Von jeher ist die klare und kühlende Quelle dem faden Wasser der Seen und Flüsse vorgezogen worden. Noch vor wenigen Jahrzehnten wußte man nicht, was eine Quelle eigentlich ist, sondern glaubte, eine solche gehöre zu einer geheimnisvollen unterirdischen »Ader«, die aus reiner Laune an die Oberfläche komme, und wer das Glück hatte, in einem gegrabenen Brunnen Wasser anzutreffen, glaubte durch einen
•merkwürdigen Zufall gerade auf eine solche »Ader« gestoßen zu sein.
So lange es sich nur darum handelte, die minimalen Wassermengen zu beschaffen, welche zur Befriedigung der bescheidenen hygienischen Bedürfnisse vergangener Jahrhunderte nötig waren, bestand im all- gemeinen keine Schwierigkeit, genügend ergiebig unterirdische »Adern«
zu finden. Auch in ziemlich großen Städten hatte jeder Hauseigentümer auf seinem Hofe einen Brunnen und in dessen unmittelbarer Nähe die ebenso nützliche wie unentbehrliche Dunggrube. Zwischen diesen bei- den bestand eine lebhafte Verbindung, deren Folge durch Liebigs be- kannte drastische Äußerung charakterisiert wird, daß »der Urin der Stadtbrunnen oft stark mit Grundwasser vermengt sei«. Schließlich wurde dieser Zustand unhaltbar, und die mehr und mehr aufgeklärte öffentliche Meinung begann, die Versorgung der Städte mit einwand- freiem und genießbarem Trinkwasser zu fordern. In erster Linie suchte
man natürlich solche Quellen auszunutzen, deren Wasser durch Eigen-
4 Kapitel I.
druck nach den Städten geleitet und dort von öffentlichen Straßen- brunnen verteilt werden konnte. Eine solche inzwischen teilweise umgebaute Quellwasserleitung besteht seit über 100 Jahren in Goten- burg, wo das vorzügliche Wasser der Kallebäcks-Quelle durch ein besonderes Röhrensystem und Trinkbrunnen verteilt wird. Standen natürliche Quellen nicht zu Gebot, so suchte man unterirdische Adern auf.
In qualitativer Hinsicht waren diese alten Wasserleitungen oft ganz vortrefflich. Als man jedoch später das Wasser auch in die Häuser und Fabriken geleitet haben wollte, reichten die Quellen meist nicht mehr aus und verschiedene aufs Geratewohl ausgeführte Brunnenanlagen mißglückten derart, daß man von der Benutzung des Grundwassers für größere Städte nichts mehr hören wollte.
Fig. 1.
Nun trat ein Rückschlag ein zugunsten der bisher verachteten S?e- und Flußwässer, deren Vorzüge in t>ezug auf Quantität ihre quali- tativen Mängel ersetzen mußten. Große und kostspielige Werke zur Förderung und Reinigung solchen Wassers wurden angelegt. Zuerst begnügte man sich damit, das Wasser durch Sedimentation zu reinigen;
bald aber fand man, daß dieser Reinigungsprozeß mittels Filtration durch Sand vervollständigt werden mußte. Da künstliche Filterbecken sowohl in der Anlage wie im Betrieb sich sehr teuer stellten, so wurde, wenn möglich, die sog. n a t ü r l i c h e F i l t r a t i o n benutzt, welche auf folgendem Prinzip fußt.
Entlang dem Ufer eines Flusses, dessen Bett aus Sand besteht, wird eine Sammelgalerie mit offener Sohle ausgelegt (s. Fig. 1).
Beim Pumpen von der Galerie senkt sich deren Wasserstand unter das Niveau des Flusses und dieser Niveauunterschied bewirkt ein Nach- strömen des Flußwassers durch den als natürliches Filter dienenden
Sandboden, wobei der auf der Sandoberfläche sich ablagernde Schlamm durch den Strom fortgeführt werden soll. Einen Zufluß von der Land- seite brachte man bei den ersten Anlagen nicht mit in Anschlag.
Hydrologie. 5
Vort solchen Wasserwerken sind eine Anzahl angelegt worden, die meisten haben jedoch den Erwartungen nicht entsprochen. In manchen Fällen sind die Poren des natürlichen Filterbettes durch Schlamm verstopft worden, den der Fluß nicht hat fortschaffen können, in anderen Fällen war die Filtration unvollständig.
Es existieren jedoch verschiedene solche Anlagen, welche zwar in quantitativer Hinsicht nicht alle Erwartungen erfüllt, aber doch in bezug auf Qualität Resultate von der größten Bedeutung für die Ent- wicklung der Wasserleitungstechnik geliefert haben. In der Regel hat die Leistungsfähigkeit der Sammelleitung allmählich abgenommen, während gleichzeitig die Beschaffenheit des Wassers sich verbessert hat, indem die Temperatur desselben sich in engen Grenzen hielt und seine chemischen Eigenschaften sich in solchem Grade veränderten, daß dies unmöglich dem kurzen unterirdischen Wege vom Flusse her zugeschrieben werden konnte Obwohl man zunächst auf einen Zufluß von der Landseite gar nicht gerechnet hatte, zeigte sich bei jeder neuen Anlage immer deutlicher, daß die Leitung in der Hauptsache von hier aus ihr Wasser erhielt, nachdem die natürliche Filtration infolge der Verschlammung des Flußbettes aufgehört oder abgenommen hatte.
Nun begannen einige hervorragende Ingenieure wie D u p u y , B e l - g r a n d , S a l b a c h , T h i e m u. a., die wirkliche Natur der unter- irdischen Zuflüsse näher zu studieren, und das Resultat ihrer Forschungen war eine neue Wissenschaft, die H y d r o l o g i e oder Lehre von der Bildung, Bewegung und sonstigen Beschaffenheit des Grundwassers.
Es ist jetzt eine bekannte Tatsache, daß unter der Erdoberfläche wirk- liche Grundwasserströme sich bewegen, deren Lauf man verfolgen, deren Richtung und Gefälle man bestimmen und deren Ergiebigkeit man feststellen kann.
Im Laufe der letzten Jahrzehnte sind demnach für Städte mit Hunderttausenden von Einwohnern Grundwasserwerke mit den besten Resultaten ausgeführt worden. Und während die Hydrologie sich zu einer exakten Wissenschaft entwickelt hat, haben zahlreiche sorgfältig studierte Epidemien den klaren Beweis geliefert, daß Seuchen durch ein von besonderen Bakterien verunreinigtes Trinkwasser veranlaßt werden können. In der Regel ist eine Infektion des Grundwassers aus- geschlossen, während offene Wasserläufe meist als verdächtig angesehen werden müssen. Der hoch entwickelten Filtertechnik ist es zwar ge- lungen, die Gefahr auf ein Minimum zu reduzieren, trotzdem ist es eine bekannte Tatsache, daß Cholera- und Typhusbazillen durch das dünne Sandbett hindurch gelangen k ö n n e n , und es bietet daher das beste
6 Kapitel I.
Flußwasser-Filterwerk nicht denselben absoluten Schutz gegeil Epide- mien, wie eine rationell ausgeführte Grundwasseranlage. In der Ozoni- sierung hat man zwar ein wirksames Mittel zur vollständigen Unschäd- lichmachung aller pathogenen Keime im Wasser gefunden, aber die Methode ist teuer und steht noch im Stadium des Versuches, und im übrigen bleibt, auch wenn ein Flußwasser steril gemacht werden kann, doch der Übelstand der hohen Sommertemperatur desselben im Gegen- satz zu der erfrischenden Kühle des Grundwassers bestehen. Erst durch Filtration, Ozonisierung und Abkühlung kann Flußwasser dem Grundwasser gleichwertig werden; eine so vollständige Behandlung ist jedoch vom wirtschaftlichen Gesichtspunkt aus, wenigstens in der näch- sten Zukunft, undenkbar.
Die hygienischen, ökonomischen und ästhetischen Vorzüge des Grundwassers sind zurzeit so allgemein anerkannt, daß jede Stadt, welche eine Wasserleitung anzulegen in Begriff steht, in erster Linie ihren Bedarf aus sichtbaren oder unterirdischen Quellen zu decken ver- suchen muß. Erst wenn eine umfassende hydrologische Untersuchung erwiesen hat, daß Grundwasser unmöglich für angemessene Kosten zu beschaffen ist, darf man zu Oberflächenwasser seine Zuflucht nehmen.
Die Entstehung des Grundwassers
verschiedene wjrd auf verschiedene Weise erklärt. Nach der I n f i l t r a t i o n s - t h e o r i e dringt ein Teil der Niederschläge durch die Poren des Bodens hinab, nach N o v a k dringt das Wasser hauptsächlich vom Meeresboden aus in das Innere der Erde. V o l g e r hält das Grundwasser für ein Produkt der Kondensation der Grundluft und M e z g e r modifiziert diese Theorie so, daß es die aus der Tiefe aufsteigenden Wasserdämpfe sind, welche kondensiert werden.
Welche von diesen Theorien ist nun die richtigste? Wahrschein- lich reicht keine derselben aus, um alle Erscheinungen zu erklären, jede einzelne kann aber auf einen Spezialfall anwendbar sein. Daß
Infiltration wirklich stattfindet, dürfte außer allem Zweifel stehen und ebenso ist es wohl unbestreitbar, daß unterirdische »Taubildung« in Bergspalten beträchtliche Beiträge zu den Grundwasserströmen liefert, sowie daß aus der Tiefe aufsteigende Dämpfe bei der Bildung warmer
Quellen eine wichtige Rolle spielen.
Für uns Ingenieure ist indessen die Frage der Entstehung des Grund- wassers von untergeordneter Bedeutung. Wir dürfen unter keinen Um- ständen die Berechnung der Ergiebigkeit eines Grundwasserstromes auf die Größe des Infiltrationsgebietes (S. 14) oder auf diese oder jene
Hydrologie. 7
wissenschaftliche Hypothese gründen; wir müssen greifbare Beweise dafür vorlegen können, daß wirklich eine bestimmte Menge Wasser zur Verfügung steht. Ich erinnere mich eines Ausdruckes meines ver- storbenen Freundes und Lehrmeisters A. Thiem: Mir ist es gleichgültig, woher das Grundwasser kommt oder wohin es geht: h i e r i s t e s !
Ein unterirdischer Strom folgt im großen und ganzen denselben Gesetzen wie ein gewöhnlicher Fluß. Sein Bett besteht aus einem un- durchlässigen Erd- oder Gesteinslager, seine Bewegung wird durch das Gesetz der Schwere bestimmt. Jedes Wasserpartikelchen strebt abwärts in der Richtung, wo ihm der geringste Widerstand begegnet. Bald fließt das Wasser in einer langgestreckten Rinne mit ausgeprägter Bewegungs- richtung fort, bald breitet es sich über eine weitgestreckte Ebene aus.
In einem homogenen Sandbett füllt es alle Öffnungen und fließt als ein- heitlicher Strom fort; im Gestein oder Moränengrus bildet es einzelne Adern. Ein Grundwasserstrom kann gezwungen werden, einem tief- liegenden, durch undurchläßliche Schichten begrenzten Bette zu folgen oder als Quelle über die Bodenoberfläche emporzusteigen. In den mei- sten Fällen mündet der Strom in einen offenen Wasserlauf, zuweilen findet jedoch das Gegenteil statt, indem das Grundwasser von einem höhergelegenen Fluß oder See gespeist wird, und zuweilen fließt das Grundwasser unter einem Fluß hinweg, ohne mit diesem in Berührung zu kommen.
Grundwasser fließt weit langsamer als Oberflächenwasser, was von dem großen Reibungswiderstand in den kleinen, unregelmäßigen Kanälen herrührt, welche die Höhlungen des Untergrundes miteinander verbinden. Der Widerstand muß durch ein entsprechendes Gefälle überwunden werden, dessen Größe teils von der Geschwindigkeit, teils von der Beschaffenheit der Bodenschichten abhängt.
Verschiedene Arten von Grundwasserströmen.
Fig. 2.
8 Kapitel I.
Fig. 2 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch einen Grund- wasserstrom. Im oberen Lauf, zwischen a und b, folgt der Strom dem Gefälle der undurchlässigen Sohle, zwischen b und d ist der Wasser- spiegel von dem Rezipienten aufgestaut, dessen Wasserstandsänderungen sich bis zum Punkt c geltend machen. Zwischen c und d ist der Grund- wasserstand ständigen Veränderungen unterworfen. Steigt der Fluß über den Mittelwasserstand, so vermindert sich Gefälle und Geschwin-
Fig. 3. Fig. 4.
digkeit des Grundwassers, seine Oberfläche wird aufgestaut und Wasser aus dem Fluß strömt seitwärts in den Boden hinein; bevor die Bewegung sich jedoch bis nach c hat fortpflanzen können, ist der Fluß wieder ge- fallen. Das Entgegengesetzte findet bei niedrigerem Wasserstande statt.
Fig. 6.
Fig. 3 und 4 zeigen einen unter und in gleicher Richtung mit einem Fluß fließenden Grundwasserstrom. Zwischen den beiden Strömen findet eine ständige Wechselwirkung s t a t t : bisweilen gelangt das Grund- wasser in den Fluß hinein, bisweilen dringt Flußwasser durch die Sohle nach unten.
